Исследователи из Японии разработали новый тип «универсальной» вычислительной памяти, которая работает намного быстрее и потребляет значительно меньше энергии по сравнению с модулями, используемыми в современных лучших ноутбуках и ПК.
Магниторезистивная оперативная память (MRAM) — это тип универсального запоминающего устройства, который способен преодолеть некоторые ограничения обычной оперативной памяти (RAM), которая может замедляться при максимальной нагрузке из-за относительно низкой ёмкости. Универсальная память объединяет скорость традиционной оперативной памяти и способность сохранять информацию без подачи электроэнергии, как в устройствах долговременного хранения.
Универсальная память, такая как MRAM, является более выгодным вариантом по сравнению с компонентами, используемыми сегодня в компьютерах и умных устройствах, так как она предлагает более высокую скорость работы, значительно большую ёмкость и лучшую устойчивость к износу.
Новая технология обеспечивает более высокие скорости и большую ёмкость по сравнению с обычной оперативной памятью, но также решает проблему высоких энергозатрат при записи данных — то, что раньше было серьёзным препятствием для MRAM.
Устройства MRAM потребляют мало энергии в режиме ожидания, но требуют значительных электрических токов для изменения направления векторов намагниченности в магнитных туннельных переходах. Именно направление намагниченности используется для представления бинарных значений в компьютерах. Это делает использование MRAM невозможным для большинства вычислительных систем. Чтобы снизить энергозатраты на запись данных, необходимо было разработать более эффективный метод переключения этих векторов.
В статье, опубликованной 25 декабря 2024 года в журнале Advanced Science, исследователи сообщили о создании нового компонента для управления электрическим полем в устройствах MRAM. Их метод требует значительно меньше энергии для изменения полярности, что снижает энергопотребление и увеличивает скорость выполнения процессов.
Память нового поколения
Созданный ими прототип компонента получил название «мультиферроидная гетероструктура» — комбинация ферромагнитного материала и пьезоэлектрического материала с ультратонким слоем ванадия между ними, который можно намагничивать с помощью электрического поля. Это отличается от других устройств MRAM, в которых отсутствовал слой ванадия.
Структурные колебания в ферромагнитном слое ранее приводили к нестабильности направления намагниченности в устройствах MRAM. Чтобы преодолеть эту проблему, слой ванадия между ферромагнитным и пьезоэлектрическим слоями действует как буфер между ними.
Пропуская электрический ток через эти материалы, учёные показали, что можно изменять направление магнитного состояния. При этом материалы сохраняли свою форму и структуру, чего не удавалось добиться в предыдущих версиях MRAM. Кроме того, магнитное состояние сохранялось даже после того, как электрический заряд прекращал действовать, что позволяло поддерживать стабильное бинарное состояние без подачи энергии.
Исследование не охватывало вопрос ухудшения эффективности переключения со временем. Эта проблема широко распространена среди различных электрических устройств. Например, обычные перезаряжаемые батареи могут заряжаться только определённое количество раз (приблизительно 500), прежде чем их ёмкость начнёт снижаться.
В конечном итоге, новая технология MRAM может обеспечить создание более мощных коммерческих вычислительных устройств с увеличенным сроком службы. Это достигается благодаря тому, что новый метод переключения требует значительно меньше энергии, обладает большей устойчивостью, чем современные технологии оперативной памяти, и не требует движущихся частей.
